Цифровая фотография

Цифровой зеркальный фотоаппарат Canon EOS 350D

Цифрова́я фотогра́фия или фотография, отличающаяся созданием оптического изображения на фотосенсоре вместо традиционного фотоматериала. Изображение, представленное в цифровом виде, пригодно для дальнейшей компьютерной обработки, поэтому цифровая фотография часто относится к области информационных технологий.

Цифровые технологии используются в цифровых фотокамерах, в теле- и видеокамерах, факсимильных и копирующих аппаратах с различными фотосенсорами, записывающие и передающие аналоговые или цифровые сигналы. Достижения в области технологии фотосенсоров позволяют создавать цифровые фотокамеры, которые вытесняют пленочную фототехнику из большинства сфер применения. Встроенные в сотовые телефоны, карманные компьютеры цифровые миниатюрные фотоаппараты создали новые сферы применения фотографии.

Вопросы аналоговых и не аналоговых цифровых изображений

• Фотосенсор без светофильтров Байера:

Любое цветное изображение полученное: Растровым способом цветной фотографии, на картинах живописи, цветной фотопленкой, любым фотодатчиком (однослойным, многослойным, трехматричным) формируется при помощи субтрактивного синтеза цвета. В цветной пленочной фотографии — это основной принцип, в цифрографии получение цвета — применение фильтров Байера с последющим АЦП. В отличие от фотоэмульсионных способов получение прямого аналогового сигнала в цифрографии отличается тем, что аналоговый выходной сигнал формируется в несколько переходов.

• Получение первичного аналогового сигнала (черно-белого);
• Перевод его в цветной сигнал (субтрактивный синтез цвета); *Модулирование, последующее квантование и аналого-дискретное преобразование с последующим восстановлением.

То есть первичный аналоговый черно-белый сигнал не абслютно, но близко переводится в аналоговый. Если говорить в абсолютных значениях, то ни пленочная ни цифровая фотография не дают абсолютных величин (Но все это достигается без фильтра Байера). В данном случае обеспечивается передача аналогового сигнала изображения предметных точек практически без искажений. Фиксированное оптическое изображение — это копия снимаемого объекта..

Цифровая фотография аналогично фотоэмульсионной (на основе применения светочувствительных зерен галогенидов серебра) с использованием фотодатчиков, например, трехслойных — Foveon X3-матрица, аналогична цветной пленочной фотографии — при экспонировании фиксирует первичный аналоговый сигнал (чёрно-белый). То есть аналоговый сигнал предметной точки, состоящий из составляющих света RGB, фиксируется друг под другом в одном трёхуровневом фотодиоде (пикселе) в порядке: «синий», «зеленый», «красный» (то есть в каждои фотослое трёхслойного пикселя фиксируется заряд с величиной потенциала лучей R,G,B в отдельности, идущих от одной предметной точки).(См. подробнее Foveon X3-матрица). Однако, в отличие от фотоплёнки для получения выходного сигнала на основе аддитивного синтеза цвета применятся сложное АЦП (аналого-циффровое преобразование) с дискретизацией, квантованием (модуляцией), восстановлением и оцифровкой). В итоге аналоговые составляющие сигналы каждого слоя одного пикселя преобразовывются в один выходной аналоговый сигнал одной предметной точки. В конце получается файл аналогоцифрового изображения. , , .

• Фотосенсор со светофильтром Байера:

В однослойных фотодатчиках типа CCD,CMOS с применением фильтра Байера на этапе АЦП в отличие от трехслойных фотодатчиков без светофильтра Байера следует: дискретные сигналы составляющих лучей света RGB формируют выходной сигнал каждой предметной точки при помощи трех аналоговых сигналов в трех фотодиодах ячейки RGB. Каждый фотодиод ячейки фиксирует 1/3 световой составляющей красного, зеленого, синего луча одной предметной точки. В ячейку из трех фотодиодов проецируются лучи трех рядом расположенных предметных точек. (У нас же однослойная система расположения составляющих RGB цветов). Отсюда при формировании выходного сигнала применяется система интерполяции, компенсирующая недостающих 2/3 энергии каждого составляющего луча RGB в каждом фотодиоде, но за счет соседних предметных точек. В итоге мы получили ячейку RGB с полным заполнением электронов каждого составляющего луча для получения сигнала одной точки. При этом при дискретизации сигналов, квантовании, оцифровке мы имеем дело с сигналами красной, зеленой, синей составляющими фотодиодов с длинами волн не одной снимаемой точки, а трех, которые при восстановлении яркости сигналов при кватовании интегрируются на уровне высочастотных характеристик при смешивании их и вынужденно дают другую кривую, отличающуюся от истинной. Зато сигалы по потенциалу соотносятся как 1:1, что обеспечивает нужную яркость изображения. Далее, понятно, что после преобразований сигналов, на выходе получаем не аналоговый сигнал. Ситема восстановления дискретного сигнала уже даже теоретически не может выдать аналоговый сигнал.

Это возможно лишь при обработке аналоговых сигналов раздельно собранных в полном объеме в одном пикселе от одной предметной точки.

Тестирование цифровых фотоаппаратов

В настоящее время при налаженном массовом производсве цифровой фотоаппаратуры при её покупке всех сейчас особо интересует качество получаемых изображений. Фотоаппараты с фотоплёкой больше различались качеством изображений в зависимости от примененямых объективов. В цифрографии наоборот, фотосенсоры больше влияют на характер получаемых изображений (габариты матриц, технология их изготовления, электронные системы АЦП т.д.), которые зависят от изготовителей. Все они отличающиеся. При этом, при тестировании фотоаппаратов исключается влияние применяемой оптики — она для тестирования стандартизирована и имеет одинаковую разрешающую способность, а также применяются одинаковые программные средства в компютерах при тестировании.

На Рис.1 (верхнем)и Рис.2 (нихнем) показаны сравнительные тесты фотокамер Canon 5D(C) и Sigma SD14(S). В Canon 5D(C) примененются фотосенсоры с фильтрами Байера, а в Sigma SD14(S) — без светофильтров Байера. На основании тестироваия определилось преимущество фотосенсороа без светофильтров Байера — передавать цвета фотографируемых объектов с соотношением 1:1, то есть аналогично.. При этом на Рис.1 даны сравнительные характеристики передачи цветов камерами в условиях выпуска их и тестирования при стандартной обработке изображений. Кэнон в данном слуае несколько ярче передачи цвета, но имеет место неадэкватное усиление красных цветоа из-за вынуждкенной интерполяции. У Сигмы цвета более натуральные, так как нет необходимости в преобразованиях потерянных 2/3 первичного аналогового сигнала в каждом пикселе из-за светофильтров. На Рис.2 изображения обрабатывались в условия равной обработки сигналов в фотошопе. Как видно аналоговые сигналы оптического изображения в Sigma SD14(S) после их восстановления и оцифровке позволи получить аналоговые изображения цветов RGB снимаемого объекта. У Canon 5D(C) цвета яркие, не естественные, но не аналоговые и не поддаются восстановлению. (Смотри Foveon X3-сенсор).

Фотосенсор

Цифровая фотография начинается с момента создания и внедрения Фотосе́нсора или в переводе с английского означает Фотода́тчика — светочувствительного устройства, состоящего из матрицы и аналого-цифрового преобразователя — ‎АЦП. Фотосенсоры ПЗС-сенсор (CCD) не содержат в одном блоке ‎АЦП. Фотосенсоры КМОП-сенсор (CMOS) все активные независимые пиксели имеют связь с АЦП непосредственно на матрице фотосенсора.

Размер фотосенсоров и угол изображения

Размеры фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки

Размеры матриц большинства цифровых фотоаппаратов по размеру меньше стандартного кадра 35-мм плёнки. В связи с этим возникает понятие эквивалентного фокусного расстояния и кроп-фактора.

Формат кадра

В большинстве цифровых фотоаппаратов соотношение сторон кадра равно 1,33 (4:3), равное соотношению сторон большинства старых компьютерных мониторов и телевизоров. В плёночной фотографии используется отношение сторон 1,5 (3:2). В основном все цифровые зеркальные фотоаппараты с размерами фотосенсоров до 24х36 мм выпускаются с рабочими отрезками фотообъективов зеркальных пленочных фотоаппаратов этого класса, что позволяет использовать старую оптику, рассчитанную на это поле. Это вызвано прежде всего наличием прыгающего зеркала видоискателя, ограничивающего уменьшение рабочего отрезка объектива и автоматически сохраняет возможность применения (преемственность) ранее выпущенных объективов. Применение старой оптики в «цифрозекалках» с матрицами, размерами меньших 24х36 мм, порой обеспечивают лучшую разрешающую способность объектива по площади кадра в силу неиспользования периферийной части изображения.

Виды цифровых фотоаппаратов

Цифровые фотоаппараты со встроенной оптикой

Цифровой фотоаппарат Canon PowerShot A95

Камеры с несъёмной оптикой (объективом), в отличие от компактных конструкций, являются полноразмерными цифровыми камерами, которые снабжены креплениями для установки внешних аксессуаров — фотовспышек, светофильтров и т. д. Они предназначены главным образом для семейного пользования, туризма, альпинизма и специальных аэросъемок и «фотоохоты». Применение фотосенсоров малых размеров позволяет создавать фотокамеры с фотообъективами, работающие с широким диапазонм зумирования — зумом, с оптическим стабилизатором, при этом с относительно малыми габаритами и весом. Встроенная оптика обеспечивает более высокую герметичность от попадания пыли и влаги. Являясь не зеркальными цифровыми фотоаппаратами они как правило могут работать в режиме видео.

Однако, применяемая фототехника с фотосенсорами малых размеров не рассчитаны для использования ее в области изобразительного искусства из-за высокого уровня аберраций, низкой фотографической широты и разрешения. (Как правило применяются фотосенсоры — 1/2,5"). Кроме того, оптическая система при этом не может обеспечить требуемую глубину резкости.

Камеры с несъёмной оптикой обычно имеют ЖК-экран или электронный видоискатель (окуляр с ЭЛТ или ЖК-экраном), что не может сравниться с зеркальным видоискателем для работы в области, например, портретной съемки, макросъемки и др.

Зеркальные фотокамеры

Принципиальная схема зеркального фотоаппарата

Цифровые зеркальные камеры (англ. DSLR) являются аналогом плёночных зеркальных камер и имеют сопоставимые размеры (меньшие за счёт отсутствия фильмового канала).

Свое название зеркальная камера получила благодаря зеркальному видоискателю (англ. TTL, Through The Lens), с помощью которого фотограф имеет возможность визировать сцену через объектив фотоаппарата.

Элементы конструкции

• 1-Объектив камеры
• 2-Проецируемое зеркало
• 3-Затвор
• 4-Фотосенсор или фотопленка
• 5-Матовое стекло
• 6-Линза
• 7-Пентапризма
• 8-Окуляр видоискателя

Среднеформатные и прочие профессиональные цифровые камеры

Выпускаются также цифровые камеры бо́льших форматов, предназначеные для профессионального использования. Среди них есть как специализированные, например панорамные камеры, так и камеры больших стандарных форматов, например среднеформатные.

Для стандартных форматов, вместо полностью цифровых камер также с успехом применяются цифровые «задники».

Цифровые задники

Цифровые «задники» (en:Digital camera back(англ.)) применяются для переоборудования плёночных фотоаппаратов (обычно дорогих профессиональных зеркальных камер с наработанным набором сменных объективов). Они представляют собой устройства, содержащие светочувствительную матрицу или подвижный линейный сканер, процессор, память и интерфейс с компьютером. Цифровой задник устанавливают на фотоаппарат вместо кассеты с плёнкой. В некоторых случаях размер матрицы делают меньше размера кадра (например, 12×12 мм вместо 24×36 мм у «задника» Филипс (1990 г.)

Современные (2008 г.) матричные цифровые задники содержат до 416 миллионов RGB-пикселей; переделанные таким образом камеры могут использоваться и как плёночные.

Параметры цифрового фотоаппарата

Качество изображения, даваемого цифровым фотоаппаратом, складывается из многих составляющих, которых намного больше, чем в плёночной фотографии. В их числе:

• Тип фотосенсоров
• Габариты фотосенсоров
• Электронная схема считывания и оцифровки аналогового сигнала АЦП
• Алгоритм обработки и формат файлов, применяемый для сохранения оцифрованных данных
• Разрешение матрицы в Мпикс (количество пикселей)

Количество и размер пикселей матрицы

В цифровых фотокамерах число физических пикселей является основным маркетинговым параметром и бывает от 0.3 (у вебкамер и встроенных камер) — до ~21 Мпикс. (У некоторых задников — до 420 Мпикс). В цифровых видеокамерах — до 6 Мпикс. Размеры пиксела в больших фотосенсорах равно ~6-9 мкм, в малых — меньше ~6 мкм.

Видоискатели

:

К ним относятся:

• Прямой видоискатель
  • Стекляный глазок
  • Светоделитель
  • Электронный видоискатель EVF
  • Шарнирное зеркало (Зеркальный видоискатель)
• ЖК видоискатель

Форматы файлов

• JPEG
• TIFF (в большинстве цифровых аппаратов применяется 8-bit TIFF, что не даёт выигрыша в глубине цвета)
• RAW (формат данных) — «сырой» набор оцифрованных данных с матрицы
• DNG от англ. Digital NeGative — «цифровой негатив»

К изображениям дописывается дополнительная информация о параметрах съёмки в формате EXIF.

Носители данных

Большинство современных цифровых фотоаппаратов производят запись снятых кадров на Flash-карты следующих форматов:

• Secure Digital (SD)
• CompactFlash (CF-I, CF-II или Microdrive)
• Memory Stick (модификаций PRO, Duo, PRO Duo)
• Multimedia Card (MMC)
• SmartMedia
• xD-Picture Card (xD)

Также возможно подключение большинства камер напрямую к компьютеру, используя стандартные интерфейсы — USB и IEEE 1394 (FireWire). Ранее использовалось подключение через последовательный COM-порт.

Достоинства и недостатки цифровой фотографии

Основные преимущества цифровой фотографии

• Оперативность процесса съёмки и получения конечного результата.
• Огромный ресурс количества снимков.
• Большие возможности выбора режимов съемки.
• Простота создания панорам и спецэффектов.
• Совмещение функций в одном устройстве, в частности, видеосъёмка в цифровых незеркальных фотоаппаратах и, наоборот, фоторежим в видеокамерах.
• Уменьшение габаритов и веса фотоаппаратуры.

Основные недостатки цифровой фотографии

• Пикселизация, регулярная структура матрицы и фильтр Байера порождают принципиально другой характер шумов изображения, нежели аналоговые фотографические процессы. Это приводит к восприятию изображения, особенно полученного на пределе возможностей камеры, как более искусственного, не «природного».
• Еще одной проблемой является уменьшение разрешающей способности фотосенсора главным образом в зависимости от его габаритов. В малых фотосенсорах, где высока плотность пикселей, имеет место смешивания зон генерации носителей (внутреннего фотоэффекта) из-за плотной упаковки их и др.
• Принципиальные трудности доказательства аутентичности цифровой фотографии, в связи с самой сутью цифровых технологий копирования файлов и обработки изображений.

См. также

• Аналоговая фотография

Литература

1. Скотт Келби Цифровая фотография = The Digital Photography Book ‭. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 224. — ISBN 0-321-47404-X^{о книге}
2. Джули Адэр Кинг Цифровая фотография для "чайников" = Digital Photography For Dummies ‭. — 5-е изд. — М.: «Диалектика», 2007. — С. 384. — ISBN 0-7645-9802-3^{о книге}

См. также

• Цифровой фотоаппарат
• Цифровой зеркальный фотоаппарат
• История цифровой фотографии
• Достоинства и проблемы цифровой фотографии
• Фотосенсор
• Фотоаппарат
• Матрица (фото)
• Оптика
• Линза

Ссылки

• Ресурсы о цифровой фотографии на русском языке
  • сайт российского журнала Digital Photo
  • photoscape.ru — сайт, посвящённый цифровой фотографии
  • Раздел на IXBT.com о цифровом фото
  • ЖЖ-комъюнити digcam

• Ресурсы о цифровой фотографии на английском языке
  • dpreview.com
  • dcresource.com
  • imaging-resource.com
  • steves-digicams.com
  • Спецификация EXIF

• Основные производители цифровых фотоаппаратов
  • Nikon
  • Canon
  • Olympus
  • Pentax
  • Fujifilm
  • Sony
  • Panasonic
  • Konica
  • Kodak